張俊偉

(深圳市廣前電力有限公司，廣東 深圳 518054)

0 引言

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組因其有啟停快、調(diào)峰性能強(qiáng)、發(fā)電效率高、排放污染低、建設(shè)周期短、系統(tǒng)設(shè)備相對少、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，近年來在我國發(fā)電企業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。NG-M701F-R型余熱鍋爐，與M701F 燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡稱燃機(jī))相匹配，為三壓、再熱、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)、臥式露天布置，設(shè)計熱效率為86.46%。前灣燃機(jī)電廠一期3×390 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組是與廣東省液化天然氣項目相配合的大型項目之一，各配1臺NG-M701F-R型余熱鍋爐。2005年該廠投產(chǎn)以來，3臺余熱鍋爐的高壓過熱器均出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，爆管位置多集中在高壓過熱器2個中間集箱與其進(jìn)口管束的拉拔管接口焊紋處。據(jù)了解，其他采用NG-M701F-R型余熱鍋爐的電廠也存在此問題。因此，準(zhǔn)確分析該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，提出有針對性的措施并實施，對于采用該型余熱鍋爐的電廠十分迫切。

1 NG-M701F-R型余熱鍋爐結(jié)構(gòu)概述

NG-M701F-R型余熱鍋爐采用單排框架結(jié)構(gòu)，全懸吊形式，主要由進(jìn)口煙道、余熱鍋爐本體(本體受熱面和鋼架護(hù)板)、出口煙道、主煙囪、高中低壓汽包、汽水管道、平臺扶梯等部件以及給水泵、給水再循環(huán)泵、排污擴(kuò)容器等輔機(jī)組成。該型余熱鍋爐的本體受熱面采用N/E標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計模塊結(jié)構(gòu)，由垂直布置的順列螺旋鰭片管和進(jìn)出口集箱組成。共包含6個模塊，每個模塊沿余熱鍋爐寬度方向分成左、中、右3個管屏，管屏上端懸掛在頂部懸吊裝置上，管屏下端的集箱采用柔性支撐，便于管屏垂直方向的膨脹和收縮；在各管屏的高度方向設(shè)置了防振支架，并在整個模塊寬度方向的不同間距上設(shè)置了隔振板，這樣設(shè)計的目的是防止高速煙氣沖擊管束引起振動和噪聲[1]。燃機(jī)排出的高溫?zé)煔馔ㄟ^進(jìn)口煙道進(jìn)入余熱鍋爐本體，依次沖刷第1至第6模塊，最后通過出口煙道由主煙囪排向大氣。其中，模塊1包括再熱器2、高壓過熱器2，模塊2包括再熱器1、高壓過熱器1。

2 高壓過熱器布置、工質(zhì)流程及爆管情況

NG-M701F-R型余熱鍋爐的高壓過熱器由高壓過熱器2和高壓過熱器1組成，高壓過熱器2屬高溫段，而高壓過熱器1屬低溫段，它們分別布置在模塊1和模塊2中，中間還設(shè)置了噴水減溫器。高壓過熱器2的縱向排數(shù)為2排，橫向排數(shù)為105排，采用開齒螺旋鰭片管；高壓過熱器2的管子材料為SA213T91，鰭片材料為SS409，鰭片管與中間集箱采用拉拔管對接焊縫形式，中間集箱材質(zhì)為SA335P91。高壓過熱器1的縱向排數(shù)為4排，橫向排數(shù)為108排，也采用開齒螺旋鰭片管；高壓過熱器1的管子材料為SA213T22，鰭片材料為SS409。NG-M701F-R型余熱鍋爐的高壓主蒸汽主要設(shè)計參數(shù):最大連續(xù)蒸發(fā)量，276.70 t/h；額定蒸汽出口壓力，10.22 MPa；額定蒸汽出口溫度，540.00 ℃。高壓過熱器的工質(zhì)采用全回路流程，工質(zhì)一次流過鍋爐寬度方向的一排管子；來自高壓汽包的飽和蒸汽通過飽和蒸汽連接管進(jìn)入高壓過熱器1進(jìn)口集箱，依次流經(jīng)4排鰭片管后進(jìn)入高壓過熱器1出口集箱，再由連接管引至噴水減溫器，根據(jù)高壓主蒸汽集汽集箱出口汽溫進(jìn)行噴水減溫后，進(jìn)入高壓過熱器2進(jìn)口集箱，再依次流經(jīng)2排鰭片管后進(jìn)入高壓過熱器2出口集箱，由連接管引至由高壓主蒸汽集汽集箱，最后由高壓主蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸[1]。高壓過熱器工質(zhì)流程如圖 1所示。

圖1 高壓過熱器工質(zhì)流程示意

Fig.1 Working substance flow of high-pressure superheater

前灣燃機(jī)電廠一期余熱鍋爐高壓過熱器的爆管位置多集中在高壓過熱器2中間集箱與其進(jìn)口管束的拉拔管接口焊紋處；采用同型號余熱鍋爐的其他電廠也存在高壓過熱器爆管問題，且爆管位置也集中在高壓過熱器2中間集箱與其進(jìn)口管束的拉拔管接口焊紋處。

3 高壓過熱器爆管原因分析

經(jīng)過與余熱鍋爐廠家及相關(guān)技術(shù)人員的共同研究分析，認(rèn)為造成高壓過熱器爆管的原因主要有以下幾方面。

(1)周期性熱應(yīng)力引起管子疲勞裂紋。余熱鍋爐每次啟、?；蛘{(diào)峰運(yùn)行，管子的壓力和溫度呈周期性交替變化，日積月累，將產(chǎn)生疲勞裂紋。以前灣燃機(jī)電廠為例，每臺機(jī)組平均年啟、停次數(shù)達(dá)230～250次；另外，由于燃機(jī)啟、停時間短，且升降負(fù)荷快，因此燃機(jī)電廠也承擔(dān)著重要的電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)。

(2)機(jī)組經(jīng)常帶低負(fù)荷運(yùn)行，且在低負(fù)荷運(yùn)行時高壓過熱器減溫水流量容易超量程。某NG-M701F-R型余熱鍋爐高壓過熱器減溫水情況統(tǒng)計見表1。

由表1可知，當(dāng)機(jī)組負(fù)荷≤276.23 MW時，高壓過熱器減溫水流量已超量程(32.15 t/h)。由于NG-M701F-R型余熱鍋爐的高壓過熱器按單級減溫水設(shè)計，減溫器后的蒸汽溫度下降相對較大，減溫器后的蒸汽過熱度相對較小，在220.00 MW時減溫器前、后蒸汽溫差甚至達(dá)到180.00 ℃，這樣容易造成減溫器后的蒸汽局部帶水嚴(yán)重，尤其以高壓過熱器2進(jìn)口管束最靠近減溫水的管束(左側(cè))帶水程度最為嚴(yán)重；進(jìn)入余熱鍋爐內(nèi)部檢查時也發(fā)現(xiàn)，僅有高壓過熱器2進(jìn)口管束最靠近減溫水的管束(左側(cè))與中間集箱連接處出現(xiàn)裂紋[2]。高壓過熱器2進(jìn)口管束最靠近減溫水的管束(左側(cè))受噴水減溫影響最大，溫度過低，而高壓過熱器2進(jìn)口管束離減溫水較遠(yuǎn)的管束(右側(cè))受噴水減溫影響較小，因此該區(qū)域的管束溫度相對較高；高壓過熱器2進(jìn)口管束最靠近減溫水的管束(左側(cè))溫度與高壓過熱器2進(jìn)口管束離減溫水較遠(yuǎn)的管束(右側(cè))溫度有一定的偏差，兩者的熱膨脹量也不同；高壓過熱器2進(jìn)口管束最靠近減溫水的管束(左側(cè))溫度較低，其熱膨脹量相對較小，所以受到拉力，拉應(yīng)力集中在高壓過熱器2中間集箱與其進(jìn)口管束的拉拔管接口焊紋處，當(dāng)此處拉應(yīng)力超過其所能承受的最大應(yīng)力時，就會產(chǎn)生裂紋甚至爆管。

表1 某NG-M701F-R型余熱鍋爐高壓過熱器減溫水情況統(tǒng)計Tab.1 Statistics on desuperheating water in a high-pressure superheater of a NG-M701F-R heat recovery boiler

(3)金相分析發(fā)現(xiàn)，個別鰭片管與高壓過熱器2中間集箱的拉拔管對接焊縫焊接和熱處理過程存在偏差，焊接區(qū)的缺陷需要局部修復(fù)。局部返修后二次加熱，使得靠近焊縫熔合線母材區(qū)域的晶粒急劇變大[3]。

(4)管束結(jié)構(gòu)影響。高壓過熱器2中間集箱與其進(jìn)口管束之間采用90°彎管連接方式，而與其出口管束之間采用直管連接方式。高壓過熱器2中間集箱的出口管束位于煙氣流向的上游，而高壓過熱器2中間集箱的進(jìn)口管束則位于煙氣流向的下游。高溫?zé)煔庠诩訜岣邏哼^熱器2中間集箱的出口管束后，才對高壓過熱器2中間集箱的進(jìn)口管束進(jìn)行加熱，因此高壓過熱器2中間集箱的出口管束溫度較高，向下的膨脹量較大，而高壓過熱器2中間集箱的進(jìn)口管束又受減溫器過來的減溫水的影響，管壁溫度更低，管束向下的膨脹量則相對較小。高壓過熱器2中間集箱進(jìn)、出口管束膨脹差的存在將形成附加應(yīng)力。高壓過熱器2中間集箱的進(jìn)、出口管束溫差越大，膨脹量相差也就越大，附加應(yīng)力的影響也就越大。當(dāng)高壓過熱器2中間集箱與其進(jìn)口管束的拉拔管接口焊紋處附加應(yīng)力超過其所能承受的最大應(yīng)力時，就會出現(xiàn)裂紋，甚至爆管。

(5)旋轉(zhuǎn)煙氣流的影響。燃機(jī)的轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，燃機(jī)透平的排氣流量為2 343.36 t/h，燃機(jī)透平的排氣溫度為588.00 ℃，燃機(jī)透平的排氣壓力為3.30 kPa，燃機(jī)透平的排氣經(jīng)燃機(jī)排氣段、余熱鍋爐進(jìn)口煙道后，仍將以一定的流速旋轉(zhuǎn)進(jìn)入余熱鍋爐本體受熱面。因此作用到余熱鍋爐本體受熱面管子上的力可分為2種，一種是煙氣往余熱鍋爐方向流動時產(chǎn)生的軸向作用力，另一種是煙氣流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的剪切力。從燃機(jī)往余熱鍋爐側(cè)看，煙氣流順時針旋轉(zhuǎn)。根據(jù)余熱鍋爐本體受熱面管屏的懸吊和管子布置方式可知，在剪切力的作用下，從燃機(jī)往余熱鍋爐側(cè)看，管屏?xí)髷[動，同時在自身重力作用下又會向右擺動；在軸向力的作用下，管屏將向煙氣流動方向擺，同時在自身重力作用下又會沿?zé)煔饬鲃臃捶较驍[動。由于余熱鍋爐模塊1(再熱器2、高壓過熱器2)位于余熱鍋爐內(nèi)煙氣流向上的最首端，因此其受到的軸向力和剪切力最大[4]。若余熱鍋爐內(nèi)防振支架強(qiáng)度不夠的話，易引起防振支架損壞，而一旦防振支架損壞，則會加劇余熱鍋爐本體內(nèi)各模塊管子的損壞。另外，旋轉(zhuǎn)煙氣流也會使進(jìn)入管屏前的煙氣流場不均勻，管屏或管子因受熱不均而形成熱偏差，產(chǎn)生熱應(yīng)力，日積月累，從而導(dǎo)致管子損壞。

4 高壓過熱器爆管的應(yīng)對措施

針對高壓過熱器爆管的原因，提出了以下應(yīng)對措施并實施。高壓過熱器2原始結(jié)構(gòu)如圖2所示，高壓過熱器2改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖3所示。

(1)優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式。加強(qiáng)與電力調(diào)度機(jī)構(gòu)的緊密聯(lián)系，最大限度地爭取機(jī)組連續(xù)運(yùn)行的時間；機(jī)組不宜長時間在較低負(fù)荷下調(diào)峰運(yùn)行，通過與電力調(diào)度機(jī)構(gòu)進(jìn)行交流和溝通，機(jī)組按不低于70% 額定負(fù)荷進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)行，即夏季不低于250.00 MW、冬季不低于280.00 MW[2]；對原三菱設(shè)定的燃機(jī)溫控線進(jìn)行優(yōu)化，適當(dāng)降低燃機(jī)的排煙溫度，從而使高壓過熱器的減溫水流量不超量程。

圖2 高壓過熱器2原始結(jié)構(gòu)示意

Fig.2 Original structure of the No.2 highpressure superheater

圖3 高壓過熱器2改進(jìn)后結(jié)構(gòu)示意

Fig.3 Improved structure of the No.2 highpressure superheater

(2)加強(qiáng)高壓過熱器檢修工作的管理，嚴(yán)格控制檢修質(zhì)量。參加設(shè)備檢修的人員應(yīng)注意現(xiàn)場檢修裝配工藝和順序，必須按照工藝要求實施裝配、焊接及焊后熱處理。焊口質(zhì)量必須經(jīng)射線探傷檢驗合格[5]。相關(guān)技術(shù)監(jiān)督人員應(yīng)制定詳細(xì)、科學(xué)、合理的監(jiān)督計劃，并嚴(yán)格按計劃跟蹤監(jiān)督好高壓過熱器檢修工作中的各個環(huán)節(jié)，確保各環(huán)節(jié)檢修質(zhì)量優(yōu)秀。

(3)為減小模塊1中高壓過熱器2中間集箱的進(jìn)、出口管束膨脹差，減少高壓過熱器2中間集箱與其進(jìn)口管束的拉拔管接口焊紋處附加應(yīng)力，增加其補(bǔ)償能力，在高壓過熱器2第2排管束進(jìn)入中間集箱處增加一個補(bǔ)償彎管。

(4)為防止燃機(jī)運(yùn)行過程中排放旋轉(zhuǎn)煙氣流引起余熱鍋爐各模塊管屏振動導(dǎo)致管子的損壞，不僅加固了余熱鍋爐模塊的防振支架，還裝設(shè)了防振梁。

5 結(jié)束語

周期性熱應(yīng)力、減溫水流量超量程、焊接質(zhì)量不合格、管束結(jié)構(gòu)不合理、旋轉(zhuǎn)煙氣流是導(dǎo)致高壓過熱器爆管的主要原因。為解決高壓過熱器爆管問題，前灣燃機(jī)電廠采取的措施包括：(1)優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式；(2)加強(qiáng)高壓過熱器檢修工作的管理；(3)在高壓過熱器2第2排管束進(jìn)入中間集箱處增加一個補(bǔ)償彎管；(4)加固余熱鍋爐模塊的防振支架并裝設(shè)防振梁。在采取上述4項措施后，前灣燃機(jī)電廠一期3臺發(fā)電機(jī)組的余熱鍋爐高壓過熱器運(yùn)行狀況一直良好，表明對高壓過熱器爆管的原因分析及采取的措施是科學(xué)、合理的。NG-M701F-R型余熱鍋爐高壓過熱器爆管問題的解決，可為其他同類型設(shè)備電廠的安全運(yùn)行提供參考。